ebook img

Wind Conditions around High-rise Buildings PDF

152 Pages·2010·63.81 MB·English
by  
Save to my drive
Quick download
Download
Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.

Preview Wind Conditions around High-rise Buildings

Sohngårdsholmsvej57 DK-9000Aalborg +4596358080 http://www.bsn.aau.dk Title: Synopsis: WindConditionsAround Thisprojectisconductedinordertoinvestigatethepos- High-riseBuildings sibilitiesofanalysingwindconditionsatpedestrianlevel byuseofComputationalFluidDynamics(CFD).Thepur- Subtitle: poseistoestablishanoperationalprocedureforevaluat- AMethodforEvaluatingWind ingwindconditionsbycouplingCFD,windstatistics,and ConditionsbyComputational evaluationcriteria. FluidDynamics Theprojectconsistsofthreeparts: Dansktitel: Part I deals with the problem of formulating evaluation VindforholdomkringHøje criteriabasedonmeanwindspeedandturbulence.Based Bygninger on the literature criteria are established for comfort and danger,alongwithlimitsofhowoftenthecriteriashould Danskundertitel: beallowedtobeexceeded. EnMetodetilEvalueringaf Vindforholdmed PartIIpresentsthemathematicalmodelusedtoevaluate ComputerstøttetFluidDynamik the flow field. This includes treatment of the wind stat- istics,modellingboundaryconditions,selectionofturbu- Project: lencemodel,andcomparisonoftheCFDmodelwithfield MasterThesis measurementinordertoevaluatetheproposedmodel. MasterofScienceinStructural ItisshowedthattheSSTk-ωmodelbyMenter(1994)with andCivilEngineering parameterssuggestedbyYangetal. (2009)isbestformo- delling the turbulence. A method for transformation of Participants: wind statistics from meteorological sites to the location JonatanHjul of interest is applied based on the work of Verkaik et al. Inge-MetteKjemtrup (2005)andWieringa(1986). ThomasBankLauridsen The overall procedure of evaluating wind conditions is Supervisor: presented,andinPartIIItwocasestudiesareconducted. MichaelR.Rasmussen OnefromHøjeBrygge,Nørresundby,wherealsothefield measurements are conducted. Here the residents suffer Editions:5 underseverewindconditions. Theothercasestudy,from Numberofpages:152 Viborgvej/BredskiftevejinÅrhus,isforaproposedgroup Completed:4thJune2010 ofhigh-risebuildings. Inbothcasesthecomfortanddangerareevaluatedanda numberofsolutionsaresuggestedinordertoreducethe windspeedatgroundlevel.Thedirectionaldiscretisation is investigated and considerations on how to choose an adequatediscretisationispresented. JonatanHjul Inge-MetteKjemtrup ThomasBankLauridsen Thecontentofthereportisfreelyavailable,butpublication(withsourcereference)isonlyallowedwithagre- ementbytheauthors. Dansk resumé Denne rapport er skrevet som afrapporteringen af afgangsprojektet “Vindforhold om- kring høje bygninger”, der er gennemført på kandidatuddannelsen til Civilingeniør i Bygge-ogAnlægskonstruktionvedAalborgUniversitet. Projektetomhandlerevalueringafvindforholdibymiljøetvedanvendelseafennume- riskmetodekaldetComputerstøttetFluidDynamik(CFD),deranvendessomenvirtuel vindtunnel. Formålet er at opstille et redskab til undersøgelse af vindforhold omkring eksisterendeogplanlagtebebyggelser. IDanmarkerdenstørstedelafbebyggelsernelavebygninger,meniendelnyerelokal- planererdetforeslåetatkonstruerehøjerebygninger.Højebygningerkangiveproble- mermedvindforholdenepåjordniveauibygningensumiddelbarenærhed,dabygninger dererhøjereenddenomkringliggendebygningsmasseforstyrrerenstørredelafdenat- mosfæriskestrømning. Deterderforiprojektetsøgtatopstilleenanvendeligproceduretilevalueringafvindfor- holdene.Denneprocedureeropstilletpåbaggrundafdentilgængeligelitteraturkombi- neret med egne studier. Evaluering af vindforhold kan evalueres på baggrund af kend- skabtilvindspåvirkningpåmennesker,statistikpåvindenshastighedogretning,samt vindensaktuellestrømningomkringbygningernepålokaliteten. Evalueringskriterier, der fastsætter grænser for hvornår vinden bliver ukomfortabel og hvornårdenbliverfarlig,erfastsatpåbaggrundafforsøgienvindtunnelgennemførtaf Hunt,PoultonogMumford(1976).Derfindesintetdansknormgrundlagfor,hvorhyp- pigtfarligeogukomfortablevindemåforekomme,menSBI-anvisning128angiverdisse grænser.Deteriprojektetvist,atdissegrænsererforhøje,ogatgrænserneidenhol- landskevindkomfortnormNEN8100giveretmerefornuftigtbilledeafvindforholdene. Dereropstilletenmetodetiltransformeringafvindstatistikkerframeteologiskemålesta- tionertilrandenafdeaktuelleevalueringsdomæner,hvoriCFD-beregningerneerudført. MetodenbaserersigpåarbejdeafVerkaiketal.(2005)ogWieringa(1986). Strømningsberegningerneomkringbygningernepålokaliteten,bestemtvedCFD,erva- lideretmedfeltmålingerforetagetvedHøjeBryggeiNørresundby.Detervistatanven- delseafk-ωSST-modellenafMenter(1994)medparametreforeslåetafYangetal.(2009), erbedsttilatmodellerebådemiddelhastighedenogturbulensenistrømningen. Denoverordnedeprocedureopstillettilevalueringafvindforholderanvendttiltocase- studier. I den ene case, ved et eksisterende byggeri ved Høje Brygge i Nørresundby, er beboerneudsatforkraftigevinde,derpåvirkerbrugsværdienafområdet.Denopstillede beregningsmodelbekræfterdeforhold,beboerneoplever.Dererforetagetundersøgelser afforskelligemulighedertilforbedringafvindforholdene. Den anden case er fra et projekt under udvikling i Århus ved Viborgvej/Bredskiftevej. Beregningerne viser, at der er problemer med vindforholdene med den originale byg- ningsgeometri.Detervist,atenmindreændringkanforbedrevindforholdene,dogikke tilstrækkeligttilatoverholdeangivelserneiNEN8100. iii Preface Growing interest for construction of high-rise buildings has raised new engineering problems,whicharenotnecessarilycoveredbyexistingcodesofpractice. Theseissues ariseinconnectionwithdeterminationofwindloadsandchangedwindconditionsat pedestrianlevel.Theproblemsofevaluatingwindconditionsareaddressedinthismas- terthesis. ThefieldofComputationalWindEngineering(CWE)isgrowingrapidly,andisreplacing simulationsmadeinwindtunnels.InDenmarkthereisnocodeofpracticeforevaluation of wind conditions at pedestrian level. The present project is an attempt to establish basisandconventionsfortheevaluationofwindconditionsinDenmarkandothernon- mountainousregions. ThisreportisaresultofamasterprojectattheM.Sc.inStructuralandCivilEngineering atAalborgUniversity.Thereportisdividedintothreeparts:(I)TheImportanceofProper WindConditions,(II)DevelopmentofMathematicalModel,and(III)EvaluationofWind ComfortinPractice. PartIintroducewhyevaluationofwindcomfortaroundhigh-risebuildingsisimportant andestablisheslimitsusedforthecriticalwindspeedandtheprobabilityofexceedance. PartIIcoversthetheoreticalbackgroundforevaluationofwindconditions. Thisisdi- videdintoachapterontheuseofComputationalFluidDynamics(CFD)foratmospheric flow,anevaluationofturbulencemodels,achapteronthetreatmentofthewindstatist- ics,anevaluationofthecalculationscomparedwithfieldmeasurements,andfinallyan overviewoftheprocedureofevaluationofwindconditions. PartIIIincludestwocasestudieswherewindconditionsareevaluatedinpractice. One casefromHøjeBryggeinNørresundby,Denmarkwherethewindconditionsaroundan existingbuildingisevaluated,andonecasefromViborgvej/BredskiftevejinÅrhus,Den- mark where a proposed hotel and congress centre is evaluated for wind conditions at pedestrianlevelbeforeconstruction. OntheenclosedCDvectorplotsareprovidedofthemodelspresentedinthereport. v Table of Contents Danskresumé iii Preface v Nomenclature xi I TheImportanceofProperWindConditions 1 1 Introduction 3 1.1 EvaluationofWindConditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 ProblemStatementfortheThesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3 OutlineofProject. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 CriteriaforEvaluationofWindConditions 7 2.1 TheScopeoftheProblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2 DefinitionofCriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.1 PedestrianActivitiestoConsider. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.2 CriteriaforPedestrianActivities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3 LimitsforAcceptableWindClimate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.4 ConclusiononCriteria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 II DevelopmentofMathematicalModel 11 3 CFDsimulationsofAtmosphericFlow 13 3.1 MathematicalBasisforDescriptionofAtmosphericFlow . . . . . . . . . . . . 13 3.2 DescriptionofBoundaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2.1 InletBoundaryCondition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2.2 OutletBoundaryCondition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2.3 GroundSurfaceBoundaryCondition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2.4 BuildingSurfaceBoundaryCondition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.2.5 FreeStreamConditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.3 ObtainingaStableAtmosphericBoundaryLayer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4 ChoiceofTurbulenceModelforUrbanFlow 21 4.1 TheproblemofTurbulenceModelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4.2 LiteratureStudiesonPerformanceofTurbulenceModels . . . . . . . . . . . . 21 4.3 PerformedStudiesonTurbulenceModels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4.3.1 ExperimentalData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4.3.2 ComputationalDomain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.3.3 BoundaryConditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.4 AnalysisofComputedResultsandExperimentalData . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.5 DiscussionandPerspectivesoftheTurbulenceModels . . . . . . . . . . . . . . 28 4.6 ConclusiononTurbulenceModelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 5 TreatmentofWindStatistics 31 5.1 TheAtmosphericBoundaryLayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 vii TableofContents 5.1.1 UseofSimilarityTheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5.1.2 TheGeostrophicRelationsofRossbySimilarityTheory . . . . . . . . 33 5.2 AppliedAtmosphericModel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 5.2.1 ChoosingtheRoughnessHeights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 5.3 ImplementationIssues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 5.4 VerificationandValidationofTransformationProcedure . . . . . . . . . . . . . 38 5.5 ConclusionandPerspectivesonStatisticalTreatment . . . . . . . . . . . . . . . 39 5.6 LinearitywithRespecttotheVelocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 5.6.1 Studyona4×4×1Cube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 5.6.2 StudyonaCylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 5.7 CouplingbetweenWindStatisticsandCFDCalculations . . . . . . . . . . . . . 41 6 ValidationofCFDModel 43 6.1 Calibrationofanemometers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 6.1.1 UncertaintiesinCalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 6.2 PreparationofEquipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6.3 ChoosingTime-AveragingPeriod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6.4 MeasurementsatHøjeBrygge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 6.5 ComparisonofMeanWindSpeedandDirection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 6.5.1 EvaluationofWindfromNorth-east . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 6.5.2 EvaluationofWindfromWest. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 6.6 MeasurementsofTurbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 6.7 ConclusionsonComparisonBetweenCFDandMeasurements . . . . . . . . 54 7 ProcedureforEvaluatingWindConditionsbasedonCFD 57 7.1 OutlineofProcedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 7.2 MethodforAutomatetheCalculationProcedure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 7.3 SensibilityofParametersinEvaluationProcedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 7.3.1 UncertaintiesintheMathematicalSubmodels. . . . . . . . . . . . . . . 63 7.3.2 AssessmentofUncertaintiesinEvaluationoftheFlow . . . . . . . . . 64 III EvaluationofWindComfortinPractice 65 8 EvaluationofWindConditionsatHøjeBrygge 67 8.1 StoriesFromResidents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 8.2 SurroundingAreas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 8.3 Build-upofModelforHøjeBrygge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 8.4 GeometricalModelandSpatialDiscretisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 8.5 WindPhenomenaatHøjeBrygge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 8.5.1 VenturiEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 8.5.2 FlowAroundCylinders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 8.5.3 HighBuildingBehindLowBuilding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 8.5.4 CornerStreams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 8.6 LevelofComfortandSafety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 8.7 SuggestedSolutionsforHøjeBrygge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 8.7.1 ChangingLocationofEntrance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 8.7.2 MinimisingtheWindSpeed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 8.7.3 PentRoof. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 viii

Description:
High-rise Buildings. Subtitle: A Method for Evaluating Wind. Conditions by Computational. Fluid Dynamics. Dansk titel: Vindforhold omkring Høje Cowi A/S). The measurements are conducted with three 2D and two 3D ultrasonic anemometers showed in Figure 6.2, which makes it possible to make
See more

The list of books you might like

Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.